JPH03207833A - 窒化用鋼およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は土木機械、産業機械等のｆｉｔ摩耗性が要求
される機械構造部品用の窒化用鋼とその製造方法に関す
る。

従来の技術 機械工具や機械部品の耐摩耗特性を向上させる方法とし
ては、高周波焼入れ、浸炭焼入れ等があるが、結晶粒の
粗大化により靭性が劣化するという問題を有するととも
に、熱処理歪が大きく非対称かつ複雑形状（例、自動車
部品のクランクシャフト）の部品の表面硬化には適さな
い。

窒化処理は、例えばアンモニアガス雰囲気中で熱処理（
Ａ＋変態点以下）を施し、鋼中の表層部に窒素を浸入さ
せ窒化物、炭窒化物を生或させることにより、耐摩耗性
を向上させることを目的としてするもので、９００℃前
後の高温で表面硬化処理を行う浸炭処理と異なり、５０
０〜５５０℃の低温で行われるため、結晶粒の粗大化に
よる靭性の劣化や熱処理歪みが生じるようなことがない
という特徴を有する。このため従来より耐摩耗性が要求
される工具類には、窒化処理が広く用いられている。

発明が解決しようとする課題 しかし、窒化処理には通常６０〜１００時間程度要する
ため、コスト合理化や工数削減の観点から窒化処理時間
の短縮化が望まれている。しかし、未だ効果的な方法が
見当らないのが現状である。

この発明はこのような実情よりみて、窒化用鋼の組戒を
制御することによって、窒化処理時の窒素の拡散速度を
大きくし、短時間の窒化処理が可能な高靭性の窒化用鋼
とその製造方法を提案しようとするものである。

課題を解決するための手段 この発明者らは、前記耐摩耗特性の向上を図るため、種
々研究を重ねた結果、次に記載する知見を得た。

■　Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂは窒化層深さを向上させるの
に有効な戒分であり、窒化時間の短縮に効果を発揮する
。

■　フェライトと微細パーライト中の窒素の拡散速度が
速いため窒化時間を短縮できる。

■　ＭＯの添加により圧延後の冷却中にペイナイトが生
威し易いため、ペイナイトの生或を抑制し、フェライト
と微細バーライトの混合組織を得るためには、圧延後の
冷却方法を制御する必要がある。

この，発明は上記知見に基づいてなされたものであり、
Ｃｒ，Ｍｏ、■の添加に加え、Ｎｂを適量添加すること
、および圧延後の冷却方法を制御してミクロ組織をフェ
ライトと微細バーライト組織との混合組織とすることに
よって、窒化時間の短縮をはかるとともに、Ｎｂの適量
添加により靭性を向上させたものである。

すなわち、この発明の要旨は、重量比で、Ｃ　０．３０
〜０．６０％、Ｓｉ０．１０〜０．５０％、Ｍｎ　０．
３０　−　０．９０％、Ｃ　ｒ　０．５０　−　３．５
０％、Ｍｏ　０．５０　〜１．５０％、Ｖ　０．１０−
　０．５０％、Ｎｂ　０．０１〜０．１０％を含有し、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、フェライトと
微細バーライトとの混合組織を有することを特徴とする
窒化用鋼であり、またその製造方法として、前記組戒の
鋼を熱間圧延後６００℃〜Ａｒ＋変態点の温度域まで急
冷し、当該温度で８〜１０時間保持した後空冷すること
を特徴とし、また前記組戒の鋼を熱間圧延後３５〜５０
℃／Ｈｒの冷却速度で４５０〜５５０℃まで冷却した後
空冷することを特徴とするものである。　　　　　　　
　　　作　　　用 この発明鋼の化学戒分の限定理由は以下の通りである。

Ｃ：０．３０〜０．１０％ Ｃは鋼に所定の静的強度を付与するのに必要な元素であ
るが、反面、靭性を劣化させる元素である。特に窒化用
鋼においては、静的強度と靭性のバランスが必要であり
、最低限の静的強度を得るには０．３０％以上が必要で
ある。しかし、０．６０％を超えると靭性が急激に低下
するため、Ｃ含有量としては０．３０〜０，６０％が好
ましい。

Ｓｉ：０．１０〜０，５０％ Ｓｉは溶鋼の脱酸に必要な元素であり、また鋼に所定の
静的強度を付与するのに必要な元素であるが、０．１０
％未満では脱酸作用に所望の効果が得られず、他方０．
５０％を超えると加工性が劣化するため、０．１０〜０
．５０％とした。

Ｍｎ　　：　　０．３０−　　０．９０％ＭｎはＳｉと
同様、溶鋼の脱酸に必要な元素であり、また鋼に焼入性
を付与するのに有効な元素であるが、０．３０％未満で
は脱酸作用に所望の効果が得られず、他方０．９０％を
超えると靭性が劣化するため、０．３０〜０．９０％と
した。

Ｃｒ　：　　０．５０　〜３．５０％ Ｃｒは窒化特性を向上させ、鋼の焼入性を付与するのに
有効な元素であるが、０．５０％未満では窒化特性と焼
入性の向上に所望の効果を得ることができず、他方３．
５０％を超えると靭性の低下をきたすため、０．５０〜
３．５０％とした。

Ｍｏ　：　　０．５０　−　１．５０％ＭｏはＣｒと同
様、窒化特性と焼入性の向上に有効な元素であるが、０
．５０％未満では窒化特性と焼入性を十分に向上させる
ことができず、他方１．５０％を超えると窒化特性に対
する効果が飽和し、経済性を損なうので、０．５０〜１
．５０％とした。

Ｖ：０．１０〜０．　５０％ ■は窒化特性を向上させ、同時に鋼の高温強度を高める
のに有効な元素であるが、その効果を発揮させるために
は少なくとも　０．１０％以上必要であり、他方０．５
０％を超えると窒化特性に対する効果が飽和し、経済性
を損うため０，１０〜０．５０％とした。

Ｎｂ：０．０１〜０．１０％ Ｎｂは窒化特性と静的強度、および靭性を向上させるの
に有効な元素であるが、　０．０１％未満ではそれらの
効果が十分に得られず、他方０．１０％を超えると機械
加工時の切削性を損うため、０．０１〜０．１０％とし
た。

また、窒化鋼のミクロ組織をフェライトと微細バーライ
ト組織との混合組織とした理由は、以下の通りである。

フェライトおよび微細バーライト組織は、ペイナイト組
織やマルテンサイト組織に比較して、硬さは柔らかいも
のの、靭性が著しく良好であり、かつＮ移動の妨げとな
る転位の量が少ないなめ、窒化時のＮの拡散が容易で、
短時間窒化が可能である。したがって、フェライトと微
細バーライトとの混合組織とする必要がある。

窒化用鋼のミクロ組織をフェライトと微細バーライトと
の混合組織とするためには、窒化用鋼を熱間圧延した後
の冷却を制御する必要がある。その制御方法として、こ
の発明では次の２通りの手段を採用した。

（１）熱間圧延後６００℃〜Ａ　ｒ　＋変態点の温度域
まで急冷し、当該温度に８〜１０時間保持する。

その理由は、熱間圧延後急冷を行うのは、フェライトと
バーライトの生成量を抑え、微細バーライトの生戒率を
高めるためである。また、熱間圧延後の冷却目標温度が
６００℃未満の時は、その後の空冷によりペイナイトが
生戊する可能性がある。

一方、Ａｒ＋変態点より高い温度に冷却してその温度に
保持しても、オーステナイトからフェライトが生戒する
のみで、微細バーライトが生威しないばかりか、その後
の空冷で微細バーライトとともにペイナイトも生或する
。

このため、熱間圧延後の冷却目標温度としては、６００
℃〜Ａ　ｒ　＋変態点とした。

なお、保持時間が８時間未満では微細バーライトが完全
に生戒せず、他方１０時間を超えるとフェライトと微細
パーライトの混合組織は得られるが、長時間保温はコス
トアップにつながるため、８〜１０時間と定めた。

（２）熱間圧延後３５−５０℃／Ｈｒの冷却速度で４５
０〜５５０℃まで冷却（徐冷）する。

その理由は、熱間圧延後５０℃／Ｈｒより大きな速度で
冷却すると、ペイナイトが生戒する。他方、３５℃／｝
１ｒ未満の冷却速度で徐冷すると、フェライトと微細バ
ーライトの変態は完了するものの、冷却に要する時間が
長くなり、工数削減に反する。

また、５５０℃より高温まで冷却した後空冷すると、空
冷時にペイナイトが生或する。他方、４５０℃未満まで
冷却すると、冷却時間が長くかがる。

このため、冷却速度を３５〜５０℃／Ｈｒ　、冷却目標
温度を４５０〜５５０℃と定めた。

実　　施　　例 実施例１ 第１表に示す化学戒分を有する鋼を溶製後、各々１６０
ｍｍ角の鋼片とし、この鋼片を１１００℃に加熱し、仕
上温度９５０℃の熱間圧延を施して３０ｍｍの丸棒とし
た後、４０℃／Ｈｒの冷却速度となるよ，うに調整した
雰囲気炉にて５００℃まで冷却した。

冷却後、ＪＩＳ　３号（２ｍｍノッチ）シャルビー衝撃
試験片と、第１図に示す静的曲げ試験片（Ｌ：５５ｍｍ
，ｔ　＋　：　１０ｍｍ，ｔ　２　：８ｍｍ）に加工し
た後、ＮＨｓ　ガス中で５３０℃にて２４時間ガス窒化
処理を行い、シャルビー衝撃試験と静的曲げ試験を行っ
た。なお、静的曲げ試験では、１０−”／　ｓの歪み速
度で静的曲げ強度（亀裂発生荷重）を調べた。

シャルピー衝撃試験片については、衝撃試験実施後に白
層近傍硬さ（鋼表面より　０．１ｍ．ｍ位置の硬さ）、
母材（芯部）硬さおよび窒化層深さを測定し、母材のミ
クロ組織観察を行った。

以上の測定結果を第１表に併せて示す。

第ｌ表より明らかなごとく、供試鋼Ｎｏ．１〜１０の本
発明鋼はシャルビー吸収エネルギー、静的曲げ強度、白
層近傍硬さ、母材硬さ、窒化層深さ共に目標値（それぞ
れ１５．　ＯＫｇｆ−ｍ、２０００Ｋｇｆ以上、ＨＶ９
００以上、ＨＶ２５０以上、　０．７０ｍｍ以上）を満
足している。

一方、供試鋼Ｎｏ．１１〜２９と現用鋼Ａ，Ｂの比較鋼
のうち、ＣあるいはＭｎ，Ｃｒが規定より多い鋼（Ｎｏ
．１１、１５、１７、２５、２８）およびＮｂが規定よ
り少ない鋼（Ｎｏ．２４、Ａ，Ｂ）ではシャルビー吸収
エネルギーが大きく低下しており、靭性の劣化が認めら
れる。また、シャルビー吸収エネルギーの低下が認めら
れないその他の比較鋼も含めて、静的曲げ強度はすべて
大きく低下している。

窒化層深さの増大に寄与する戒分（Ｃｒ，Ｍｏ、Ｖ，Ｎ
ｂが規定より少なイｆＲ　（Ｎｏ．　１８、２０、２２
、２４、２５、２６、２７、２８、２９、Ａ）では、窒
化層深さが浅くなっている。

以上の結果より、製造条件を満足しても戒分の含有量が
異なると、目標とする特性が得られないことがわかる。

次に、合金或分の含有量が本発明と同一で、鋼中にペイ
ナイトを含んでいる鋼、ミクロ組織が焼戻しマルテンサ
イト鋼の場合の結果を以下に示す。

第１表と同一の化学或分を有する鋼片（１６０ｍ　ｍ角
）を圧延素材とし、当該鋼片を１１００℃に加熱し、仕
上温度９５０℃で熱間圧延を施して３０ｍ　ｍの丸棒と
した直後、下記（ａ）または（ｂ）の処理を行った。

（ａ）５５℃／Ｈｒの冷却速度となるように調整した雰
囲気炉にて冷却を実施。

（ｂ）オイル中で焼入れした後、６５０℃にて１時間焼
戻しを実施。

第１表の供試鋼Ｎｏ．１〜５、１１〜ｌ９については（
ａ）を、供試鋼Ｎｏ．　６−ｔｏ、２０−２９について
は（ｂ）の処理を実施した。また、現用鋼Ａ，Ｂについ
ては（ａ）（ｂ）両方の処理を実施した。

（ａ）または（ｂ）の処理後は、実施例１と同じ要領で
試験片加工、窒化処理を行ってから機械的性質、窒化特
性、並びに母材ミクロ組織の調査を行った。

以上の結果を第２表に示す。

第２表より明らかなごとく、目標値をすべて満．足して
いる鋼は皆無で、特に従来より一般に行われる処理（ｂ
）を採用した比較処理Ｎｏ．３６〜４０、５０〜５９で
は、母材硬さは高いものの、シャルピー吸収エネルギー
の低下が激しい。

このように、ミクロ組織中にペイナイトを含む鋼や、ミ
クロ組織が焼戻しマルテンサイト鋼の場合は、仮に合金
戒分の含有量が規定値を満足していても、機械的性質と
窒化特性が劣化することがわかる。

実施例２ 第１表に示す供試鋼Ｎｏ．　１の１６０ｍｍ角鋼片を熱
間圧延後、第２図に示すヒートパターンにて冷却し、実
施例１と同じ要領で試験片加工と窒化処理を行い、機械
的性質と窒化特性および母材ミクロ組織の調査を行った
。

また、同じ鋼片を第３図に示すビートパターンにて冷却
した後、実施例１と同じ要領で試験片加工と窒化処理お
よび母材ミクロ組織の調査を行った。

上記２つの調査結果を、本願発明と異なる条件で実施し
た場合と比較して第３表および第４表に示す。

第３表より、本発明と比較例の中で、保持時間が規定値
より長いもの（試験Ｎｏ．　６、９）、第４表より、冷
却速度が規定値より小さいもの（試験Ｎｏ．１９）並び
に冷却終点温度が規定値より低いもの（試験Ｎｏ．　１
５、１８）は、いずれもミクロ組織はフェライトと微細
バーライトとの混合組織となっており、機械的性質と窒
化特性の特性値はすべて目標値を満たしている。

一方、比較例の中で、保持温度が規定を外れたもの（Ｎ
ｏ．５、８）、保持時間が規定より短かいもの（Ｎｏ．
７、１０）、冷却速度が規定より大きいもの（Ｎｏ．１
６）、冷却終点温度が規定より高いもの（Ｎｏ．１７、
２０）は、シャルビー吸収エネルギー、静的曲げ強度、
窒化層深さが目標値に達していないことがわかる。

以下余白 発明の効果 上記の実施例からも明らかなごとく、この発明に係る窒
化用鋼は、機械的性質および窒化特性共に優れており、
またその製造においては、合金戒分量を制御し、フェラ
イトと微細バーライトとの混合組織をつくることにより
、短時間窒化が可能で、機械的性質および窒化特性の優
れた窒化用鋼を低コストで製造することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例１における静的曲げ試験片を
示す模式図、第２図および第３図は同実施例２における
冷却のヒートパターンを示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量比で、Ｃ０．３０〜０．６０％、Ｓｉ０．１０〜０
   ．５０％、Ｍｎ０．３０〜０．９０％、Ｃｒ０．５０〜
   ３．５０％、Ｍｏ０．５０〜１．５０％、Ｖ０．１０〜
   ０．５０％、Ｎｂ０．０１〜０．１０％を含有し、残部
   Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、フェライトと微細
   パーライトとの混合組織を有することを特徴とする窒化
   用鋼。 ２ 重量比で、Ｃ０．３０〜０．６０％、Ｓｉ０．１０〜０
   ．５０％、Ｍｎ０．３０〜０．９０％、Ｃｒ０．５０〜
   ３．５０％、Ｍｏ０．５０〜１．５０％、Ｖ０．１０〜
   ０．５０％、′Ｎｂ０．０１〜０．１０％を含有し、残
   部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を、熱間圧延後
   ６００℃〜Ａｒ＿１変態点の温度域まで急冷し、当該温
   度域に８〜１０時間保持した後、空冷することを特徴と
   する窒化用鋼の製造方法。 ３ 重量比で、Ｃ０．３０〜０．６０％、Ｓｉ０．１０〜０
   ．５０％、Ｍｎ０．３０〜０．９０％、Ｃｒ０．５０〜
   ３．５０％、Ｍｏ０．５０〜１．５０％、Ｖ０．１０〜
   ０．５０％、Ｎｂ０．０１〜０．１０％を含有し、残部
   Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を、熱間圧延後３
   ５〜５０℃／Ｈｒの冷却速度で４５０〜５５０℃まで冷
   却し、その後空冷することを特徴とする窒化用鋼の製造
   方法。